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문제 정의
- 본 연구에서는 이전의 흡착제들보다 가격이 비교적 저렴한 것으로 알려진 활성탄을 이용한 아세트산 분리 및 회수 가능성을 파악해보고자 하였다.
제안 방법
- 313.15 K와 323.15 K에서 활성탄에 대한 아세트산의 흡착 실험 결과를 Table 1에 나타내었으며, 이를 바탕으로 네 가지 adsorption equilibrium model 즉, Langmuir, Bi-Langmuir, Freundlich isotherm model에 적용시켜 보았다
- 이러한 3가지의 adsorption equilibrium model의 parameter들은 GA(genetic algorithm)을 통해 구하였다. Initialization, crossover, mutation, elitism 과정을 거쳐 값들을 구하도록 MATLAB 7.0에서 프로그래밍 하였는데, 식 (6)을 목적함수로 두어 실험 데이터와의 오차가 최소가 되는 값을 선정하였다.
- 시료는 Rheodyne 7725i manual injector를 통해 주입하였으며, injection volume은 5 μL이다. Waters 2414 RI detector로 아세트산 농도를 분석하였다.
- 균일한 크기의 활성탄을 얻기 위해 체눈 크기가 25, 40 mesh ASTM인 두 개의 sieves(Chung Gye Sang Gong Sa, Seoul, Korea)와 shaker(HST-203S, Hanbaek ST Co., Korea)를 사용해 그 구간 내의 활성탄을 분리하고, 진공 오븐(HST-501VS, Hanbaek ST Co., Korea)에서 건조시켰다. 그리고 흡착평형실험은 진탕 배양기(HST-201SL, Hanbaek ST Co.
- , Korea)에서 건조시켰다. 그리고 흡착평형실험은 진탕 배양기(HST-201SL, Hanbaek ST Co., Korea)내에서 진행되었다. 실험결과를 분석하기 위한 HPLC에서 이동상의 유속을 조절해주기 위해 Waters 515 HPLC pump를 사용하였으며, eluent인 DDW는 Milli-Q system (Millipore, Bedford, MA)에서 얻었다.
- Filtering 한 시료는 HPLC 시스템을 이용하여 분석하였는데, single-component 흡착이므로 분석용 컬럼 없이 Waters 2414 RI detector로 분석이 가능하였다. 시료의 농도는 calibration curve에서의 면적과 농도와의 관계식을 통해 구할 수 있었다.
- , Korea)내에서 진행되었다. 실험결과를 분석하기 위한 HPLC에서 이동상의 유속을 조절해주기 위해 Waters 515 HPLC pump를 사용하였으며, eluent인 DDW는 Milli-Q system (Millipore, Bedford, MA)에서 얻었다. Eluent의 온도는 Water bath (BW-10G, Jeio-Tech Co.
- 흡착평형 데이터의 측정은 다양한 방법을 이용하여 예측할 수 있다. 여러 방법들 중 본 연구에서는 batch equilibrium method를 사용하여 흡착평형 데이터를 측정하고 아울러 이 데이터들을 잘 설명해줄 수 있는 흡착평형 모델식과 관련 파라미터 등을 결정하였다. 이과정에서 Langmuir, Bi-Langmuir, Freundlich model을 사용하였으며 이와 같은 접근 방법은 과거 여러 문헌에서 확인할 수 있다[3,4].
대상 데이터
- 본 연구에서 시약으로 사용된 아세트산은 Mallinckrodt Baker Inc.(Paris, KY)에서 구입하였다. 그리고 컬럼에 충진된 활성탄은 Calgon Carbon(Pittsburgh, PA)에서 구입한 CPGLF 12×40(Lot number :S06330NJ5)이며, 역청탄(bituminous coal)을 원료로 제조되었다.
- 그리고 컬럼에 충진된 활성탄은 Calgon Carbon(Pittsburgh, PA)에서 구입한 CPGLF 12×40(Lot number :S06330NJ5)이며, 역청탄(bituminous coal)을 원료로 제조되었다.
- 시료는 Rheodyne 7725i manual injector를 통해 주입하였으며, injection volume은 5 μL이다.
데이터처리
- 15 K에서 실시하였다. 그리고 실험 데이터 결과를 바탕으로 genetic algorithm을사용하여 Langmuir, Bi-Langmuir, Freundlich isotherm model의 parameter 를 구하였다. 실험 데이터와 isotherm model을 함께 fitting 해 보았을때, Bi-Langmuir model이 실험 결과를 가장 잘 설명해 주는 것으로 확인되었다.
이론/모형
- 온도에 따른 흡착 거동을 비교하기 위해 실험 데이터와 가장 근접하게 일치한 Bi-Langmuir model을 적용하여 fitting한 결과를 Fig. 2에나타내었다. 아세트산이 온도가 증가함에 따라 동일한 solution의 농도에서 활성탄에 흡착하는 물질의 양이 줄어드는 것을 볼 수 있다.
- 여러 방법들 중 본 연구에서는 batch equilibrium method를 사용하여 흡착평형 데이터를 측정하고 아울러 이 데이터들을 잘 설명해줄 수 있는 흡착평형 모델식과 관련 파라미터 등을 결정하였다. 이과정에서 Langmuir, Bi-Langmuir, Freundlich model을 사용하였으며 이와 같은 접근 방법은 과거 여러 문헌에서 확인할 수 있다[3,4].
- 이러한 3가지의 adsorption equilibrium model의 parameter들은 GA(genetic algorithm)을 통해 구하였다. Initialization, crossover, mutation, elitism 과정을 거쳐 값들을 구하도록 MATLAB 7.
성능/효과
- 그리고 실험 데이터 결과를 바탕으로 genetic algorithm을사용하여 Langmuir, Bi-Langmuir, Freundlich isotherm model의 parameter 를 구하였다. 실험 데이터와 isotherm model을 함께 fitting 해 보았을때, Bi-Langmuir model이 실험 결과를 가장 잘 설명해 주는 것으로 확인되었다.
- 그림에서 보듯이 Langmuir, Bi-Langmuir, Freundlich model 모두 실험결과와 비슷한 경향을 보였다. 이 세 종류의 isotherm model 중 Bi-Langmuir model이 가장 잘 일치하는 경향을 보였고, 그 다음은 Langmuir model이 잘 일치하는 경향을 보여주었다. Freundlich model의 경우는 앞의 두 model보다는 더 큰 deviation을 보였다.
후속연구
- 이와 같은 관심사를 다루기 위해 본 연구에서는 비교적 가격이 저렴한 것으로 알려진 활성탄을 이용하여 아세트산을 효과적으로 흡착 시켜 분리 및 회수하는 공정 개발에 필요한 흡착 평형 데이터와 관련 파라미터 등의 측정을 수행할 것이다.
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